導(dǎo)電高分子的光電特性及應(yīng)用
時(shí)間:2005-06-13
導(dǎo)電高分子除了的PA外，尚有以下幾類，包括：雜環(huán)聚合物：polypyrrole (PPy)、polythiophene (PT)、芳香族聚合物：polyaniline (PAn)、poly(p-phenylene) (PPP)、不飽和碳?xì)浼胺枷阕宀⒋娴木酆衔飌oly(phenylene vinylene) (PPV)等 (圖四)。這些高分子早在1977年以前即被合成出來，但到PA被發(fā)現(xiàn)經(jīng)摻雜而大幅提高導(dǎo)電度之后，才被廣泛研究。各類高分子因有不同電子結(jié)構(gòu)，故各具有不同光電、導(dǎo)電、電化學(xué)等特性，因而有不同應(yīng)用方向。如引進(jìn)不同機(jī)能之機(jī)團(tuán)于主鏈及側(cè)鏈，更可調(diào)節(jié)其光電特性及溶解性，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。未經(jīng)摻雜者為半導(dǎo)體，經(jīng)摻雜后為導(dǎo)體，除各具有與無機(jī)半導(dǎo)體及導(dǎo)體類似之特性外，在組件制作時(shí)尚有可低溫加工、可大面積化、可撓曲等特性，故具有低制作成本及獨(dú)特組件特性之優(yōu)點(diǎn)，對未來電子及信息工業(yè)將產(chǎn)生巨大影響。導(dǎo)電高分子之應(yīng)用，大致可分三類：(1)半導(dǎo)體特性，(2)導(dǎo)體特性，(3)電化學(xué)摻雜/去摻雜之可逆性。其工業(yè)化目前尚在萌芽階段，僅有少數(shù)工業(yè)品出現(xiàn)，例如利用其導(dǎo)體特性的固態(tài)電容器、抗靜電及防蝕涂料等。
(1)發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)
發(fā)光二極管是于半導(dǎo)體中以電激發(fā)產(chǎn)生電子與電洞，經(jīng)偏壓使電荷載子再結(jié)合放出光子的電致發(fā)光(Electroluminescence, EL)組件。此種半導(dǎo)體材料廣泛見于無機(jī)III-V族化合物。1990年，英國劍橋大學(xué)Cavendish Laboratory的研究群，在poly(phenylen vinylene) (PPV) (化合物1)共軛高分子晶體管組件的研究中，發(fā)現(xiàn)共軛高分子具有電致發(fā)光的特性，自此高分子發(fā)光二極管開始廣泛的被研究，它也是共軛高分子最重要的一個應(yīng)用，其工業(yè)化已是在呼之欲出之階段。圖五為高分子發(fā)光二極管組件結(jié)構(gòu)，主要為兩電極間夾共軛高分子薄膜的三明治結(jié)構(gòu)，為使發(fā)射的光可被看見，有一方必須是透明電極(一般使用ITO玻璃)，另一電極則為低工作函數(shù)(work function)的金屬(如Al, Ca, Mg等)鍍膜。表一所示為使用于發(fā)光二極管之典型高分子結(jié)構(gòu)，其光色可由能隙之調(diào)整而改變。發(fā)光層及電極如制成圖案或畫素，則有發(fā)光顯示器之功能，由于省電、無視角限制（圖六）、響應(yīng)快，將來可能取代液晶顯示器(LCD)。由于LCD工業(yè)在國內(nèi)是僅次于半導(dǎo)體之第二大光電產(chǎn)業(yè)，為迎接未來新顯示器時(shí)代之來臨，我國學(xué)研界及多家光電廠商已介入此新顯示器之研發(fā)。
(2)場效晶體管(Field effect transistor, FET)
FET組件構(gòu)造以金屬-半導(dǎo)體接面為例，由緊密接觸的金屬層與半導(dǎo)體層所組成，具有整流功能。圖七是典型的有機(jī)場效晶體管組件示意圖，有機(jī)半導(dǎo)體層是共軛寡聚體***ithiophene單晶，而絕緣層則是絕緣塑料PMMA，相較于無機(jī)硅晶半導(dǎo)體的長晶及絕緣層的氧化制程，有機(jī)FET的制程簡易且條件較不嚴(yán)苛。在制作主動式高分子發(fā)光顯示器（polymer light-emitting diode, 簡稱PLED）時(shí)，亦可以使用高分子FET為驅(qū)動組件，簡化制程，降低制作成本。
(3)電變色組件
共軛高分子經(jīng)由電化學(xué)氧化還原之電荷轉(zhuǎn)移，在能帶間隙間生成新的能階，使電子轉(zhuǎn)移能量降低而有新吸收光譜(吸收波長較長)，此種因電化學(xué)氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的變色現(xiàn)象即稱為電變色(electrochromic)。例如聚苯胺(polyaniline，化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖四)，它有兩個以上不同的氧化還原狀態(tài)，因此具有多重電變色性質(zhì)，其電變色范圍為透明黃-綠色-深藍(lán)色-黑色，這在顏色顯示上具有明顯的對比性。此種電變色性，加以共軛高分子之可撓曲性、大面積涂布加工性及分子設(shè)計(jì)/合成多樣性等特質(zhì)，在汽車防眩后視鏡、光信息儲存組件、太陽眼鏡、軍事用途護(hù)目鏡、飛機(jī)駕駛艙遮篷及智能窗(smart window)等可控制電變色性質(zhì)的應(yīng)用上具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?BR>(4)可反復(fù)充放電電池
共軛導(dǎo)電高分子在電化學(xué)摻雜后，導(dǎo)電高分子電極即與對應(yīng)電極及電解質(zhì)構(gòu)成一個蓄有電能之電池，若加一負(fù)載而放電，導(dǎo)電高分子即進(jìn)行去摻雜，此摻雜/去摻雜 (充電/放電) 為一可逆反應(yīng)。在共軛高分子中，以聚苯胺為電極之研究報(bào)導(dǎo)最多，因它具有價(jià)廉、能量密度高、循環(huán)壽命長、和低自身放電等優(yōu)點(diǎn)。以聚苯胺/鋰離子電池為例，其理論電容量約為148Ah/kg(以聚苯胺重量計(jì)算)，筆者實(shí)驗(yàn)室之研究結(jié)果顯示實(shí)際容量可達(dá)134Ah/kg已接近市售手機(jī)電池中，正極鋰錳氧化物及鋰鈷氧化物之電容量，但前者較后兩者的之價(jià)格要低很多。
(5)其它應(yīng)用
導(dǎo)電高分子尚可制成太陽電池，其結(jié)構(gòu)與發(fā)光二極管相近，但機(jī)制卻相反，后者將電能轉(zhuǎn)換成光，而前者則將光能轉(zhuǎn)換成電能。利用其半導(dǎo)體與導(dǎo)體特性以及電化學(xué)行為對外界物質(zhì)的響應(yīng)，導(dǎo)電高分子亦可制成生醫(yī)傳感器、光、電、氣體、有機(jī)蒸汽之偵測器。利用摻雜后之導(dǎo)電性及可溶性，導(dǎo)電高分子可應(yīng)用于固態(tài)電容器、抗靜電及電磁波遮蔽涂布。
未來展望
分子設(shè)計(jì)：以導(dǎo)電高分子為基材之光電組件(polymer-based electrionics)，目前雖僅少數(shù)被工業(yè)化，但其原理均已確認(rèn)可行，相信不久將可逐件開發(fā)完成，展開嶄新的高分子電子產(chǎn)業(yè)。“分子設(shè)計(jì)”未來將在此新領(lǐng)域之推展上扮演一個極重要的角色，例如設(shè)計(jì)高分子鏈(主鏈及側(cè)鏈)之結(jié)構(gòu)，使分子鏈間呈現(xiàn)有序堆棧，來控制電子在空間依特定方式分布，以達(dá)到特定之光電性質(zhì)。
分子級電子組件：另一個新的挑戰(zhàn)是“分子級電子組件”(molecular electronics)研究。現(xiàn)在電子工業(yè)已能制造次微米級電子組件，但其尺寸離分子級仍大一個級數(shù)。將來可以將周期表中元素組合成復(fù)雜高階規(guī)則結(jié)構(gòu)，使它具有特殊機(jī)能，而單一導(dǎo)電高分子鏈則可作為傳遞訊號之導(dǎo)線。例如，人類視覺神經(jīng)組織之分子結(jié)構(gòu)(如圖一(c)所示，但－CH2OH以－C＝O取代)即為共軛高分子，當(dāng)見光后，分子構(gòu)型即由反式轉(zhuǎn)成順式，而達(dá)成訊號之傳遞。將來以人工合成具有與人類視覺系統(tǒng)相同功能之分子級傳感器應(yīng)該是可能的。此外計(jì)算機(jī)之動態(tài)內(nèi)存及運(yùn)算速度亦將因分子級電子組件之利用而提高幾個級數(shù)，而其整體尺寸則將大幅縮小。
